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 TSN與工業(yè)以太網技術的真相

我們近期收到來自ETG會員的反饋，在網絡上流傳的某些比較各種工業(yè)以太網通訊技術的文章中，針對EtherCAT部分的描述有誤，會員希望ETG對相應錯誤部分給予糾正，防止讀者被誤導。此外，針對該文章中指出的TSN技術適用于現(xiàn)場層的應用的觀點，我們借此機會給予我們的解讀。

以某一家現(xiàn)場總線組織為名的關于多家工業(yè)以太網現(xiàn)場總線的對比只是站在某一種總線角度進行技術比較，對于廣大用戶來說并不具有代表性和性，且因其對EtherCAT技術了解的片面性，文章中在技術層面出現(xiàn)很多錯誤，為工業(yè)以太網用戶帶來諸多困擾。

我們在此列舉了以下技術錯誤并進行了相應的糾正，以幫助用戶正確理解工業(yè)以太網以及EtherCAT技術。

image001錯誤1：1.2章節(jié)關于主流通訊協(xié)議的循環(huán)周期比較

按照圖示中關于EtherCAT的參數(shù)：70多個節(jié)點，100個字節(jié)的數(shù)據(jù)量，循環(huán)周期要超過1700微秒。

image004實際應用中采用硬件測試過的EtherCAT性能如下：

•    1000個開關量分布在100個節(jié)點上，循環(huán)周期為30微秒

•    100個伺服軸，每個軸8字節(jié)的輸入/輸出數(shù)據(jù)，循環(huán)周期為100微秒

EtherCAT與其他千兆以太網及TSN性能比較

上圖中所示，與其他的基于千兆以太網的總線技術與TSN比較，EtherCAT的真實性能應該如圖中zui底層的平面（藍色平面）所示。顯然，EtherCAT的性能明顯優(yōu)于其他的技術。

image001錯誤2：1.2章節(jié)關于EtherCAT循環(huán)周期時間的計算公式錯誤：

image004對于通常的EtherCAT系統(tǒng)中含有的三類設備：輸入設備、輸出設備、輸入輸出混合設備。對于含有以上三類設備的EtherCAT系統(tǒng)的zui小循環(huán)周期公式應為：

τ= 8(40 + max(44, 4 ×(x+12)))/C

說明： EtherCAT協(xié)議定義數(shù)據(jù)幀結構，可以將數(shù)據(jù)報文分成多個子報文，每個子報文可以對應一個到多個從站。一般情況下子報文都是對應同類的一系列設備，例如所有輸入模塊對應一個子報文，所有輸出模塊對應一個子報文，所有輸入輸出的模塊對應一個子報文。這樣如果系統(tǒng)中以上三類設備，外加一個用于監(jiān)控設備狀態(tài)機的廣博子報文后，公式應該是4×（x+12）。文中提到的是將每一個從站都對應一個子報文，這不是必須的，絕大多數(shù)情況都不會使用到這種極限方式。

image001錯誤3：在公式說明后提到如下內容：

“這里介紹的所有方程都是假設了簡單的情況，其中輸入和輸出數(shù)據(jù)量相等，拓撲結構為的總線型。然而在實際應用中，這種比較取決于許多其他參數(shù)：

•    輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率

•    具有直接交叉通信的設備的百分比

•    利用不同的循環(huán)周期

•    拓撲結構（總線型、星型、環(huán)型），以及設備之間的跳數(shù)

•    帶有自己背板總線的模塊化I/O的可用性”

image004EtherCAT的性能有很好的確定性，對于確定了節(jié)點數(shù)和負載的應用，就有確定的EtherCAT系統(tǒng)性能，而無需考慮其他不必要的因素。

•    EtheCAT與輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率無關。EtherCAT系統(tǒng)性能與傳輸時間和總數(shù)據(jù)量有關，而不是數(shù)據(jù)量中輸入輸出數(shù)據(jù)的比率。

•    EtheCAT性能與直接交叉通信的設備的百分比無關。EtherCAT從站物理層選擇交叉索引自適應的PHY，所以和“直接交叉通信的設備的百分比”無關，并且系統(tǒng)中無需全雙工的交換機及半雙工的HUB設備。

•    EtherCAT性能受不同的循環(huán)周期的影響，但這種方式是指主站可以優(yōu)化報文，不同類型的設備根據(jù)不同的任務周期發(fā)送數(shù)據(jù)，從而釋放主站的性能。

•    EtherCAT支持多種拓撲結構（總線型、星型、環(huán)型、樹型、線型），且性能和拓撲結構無關。而且不涉及設備之間的跳數(shù)的問題，不存在這方面影響。

•    EtherCAT是一網到底，沒有背板總線，因此不存在背板總線的影響。

image004有關TSN和EtherCAT：

TSN的用武之地在于異構性網絡的實時性數(shù)據(jù)交換，而在現(xiàn)場總線層的應用中，TSN不會替代EtherCAT。

TSN是Time Sensitive Networking（時間敏感性網絡）的縮寫，是一個IEEE橋接（“交換技術”）的工作組的項目。因為傳統(tǒng)的基于“Best effort”方式對普通以太網的應用不能夠滿足廣泛的實時性需求（例如在音頻/視頻和廣泛的IT通信與EtherCAT系統(tǒng)通訊），所以該工作組旨在通過確定性的研究提升以太網的實時性。它有如下特點：

-  在IEEE802.1規(guī)范中，數(shù)據(jù)幀被盡可能快的轉發(fā)，避免阻塞。

-  一部分帶寬被預留為“Stream”（數(shù)據(jù)高速通道），用于傳輸對時間要求更高的通訊。

-  剩余的帶寬用于普通的數(shù)據(jù)傳輸（“延遲通道”）。

從上圖中可見，實時性是通過在TSN中建立數(shù)據(jù)高速通道實現(xiàn)的。那么，對于現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)通訊，通常是節(jié)點數(shù)眾多，響應要求快，周期性循環(huán)的通訊，如果直接通過TSN連接帶有n個節(jié)點的系統(tǒng)，就要求建立n個數(shù)據(jù)高速通道。這顯然會影響其他類型的數(shù)據(jù)通訊，并且在網絡配置方面也是不切實際的。

TSN真正的用意在于異構網絡的搭建。在未來的工業(yè)網絡或者泛工業(yè)的應用中，同一個網絡需要集成不同類型的設備、不同類型的通訊，這些通訊設備之間需要進行實時性交互時，正是TSN的用武之地。TSN通過對TSN交換機的配置鏈接不同的設備或者網段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交互。這種實時性通過TSN配置給每個網段或者設備的“數(shù)據(jù)高速通道”實現(xiàn)。因此，TSN嵌入在IEEE 802技術中有助于協(xié)調通信，它會消除一些不必要的沖突，但不會改變基本規(guī)則。TSN的兩個主要性能缺陷是無法改變的，即針對小數(shù)據(jù)量的以太網幀處理效率以及復雜且耗時的轉發(fā)進程。

在對于機器的控制中，EtherCAT在典型的IO網段的性能比TSN高出近十倍。EtherCAT作為當今zui快速的工業(yè)以太網現(xiàn)場總線可以和TSN技術結合。

如上圖所示，在異構網絡中涉及到機器控制（多節(jié)點、高速響應、硬實時性要求）采用EtherCAT網段，每一個EtherCAT網段（含有多個EtherCAT節(jié)點設備）通過TSN交換機建立的一個高速數(shù)據(jù)通道與主站相連。

這種用法非常，基于共享幀方式的EtherCAT由于網絡中多個從站設備的數(shù)據(jù)可以在同一個數(shù)據(jù)幀中傳輸，EtherCAT連到TSN網絡中后，使得TSN配置更加容易并。整個EtherCAT網段僅利用了TSN的一個“高速通道”，并保證了在異構網絡中EtherCAT網段中所有設備與其他類型設備及EtherCAT主站的實時通訊。

此外，關于TSN規(guī)范制定工作還在進程當中，如下圖，其中一些規(guī)范還處于草稿或者投票等階段，只有一部分規(guī)范對外發(fā)布。值得注意的是，現(xiàn)階段對于TSN網絡的配置工具目前還沒有發(fā)布，有效的TSN網絡還不能組態(tài)。

為了保證EtherCAT技術與TSN的適用性，EtherCAT技術協(xié)會已經在2017年底發(fā)布了EtherCAT關于TSN的設備行規(guī)。該行規(guī)規(guī)范用于EtherCAT和TSN的使用，文檔中對已發(fā)布的TSN規(guī)范和EtherCAT技術的結合進行了定義，此文檔可以在ETG*下載，隨著TSN規(guī)范的完善，此文檔也會相應的更新版本，當前版本是ETG.1700 S (D) V0.9.0。

TSN的真正優(yōu)勢在于增強了包括很多機器在內的本地網絡的性能。它未來的發(fā)展必然會降低當前機器到機器網絡器件的復雜性。這將需要一個通用的協(xié)議基礎架構和網絡控制系統(tǒng)，并且兩者都需要可以在機器層進行有效處理的器件。

在未來的自動化系統(tǒng)中，如何組織通信將比通信特性本身更重要。這就是為什么EtherCAT保留了現(xiàn)有元器件并提供了單獨對TSN功能的適配。因此，我們可以支持更強大的功能，并保護您對EtherCAT的資產投入。